HEV动力切换过程车内振动与噪声试验分析

吴赛赛，左言言，廖连莹，朱远征，郑铭垠

（1.江苏大学　振动噪声研究所，江苏　镇江212013；2.常州工学院　机电工程学院，江苏　常州213002）

HEV动力切换过程车内振动与噪声试验分析

吴赛赛1，左言言1，廖连莹2，朱远征1，郑铭垠1

（1.江苏大学振动噪声研究所，江苏镇江212013；2.常州工学院机电工程学院，江苏常州213002）

为对某混合动力汽车动力切换过程中车内振动与噪声进行研究，测试正副驾驶地板的振动加速度、正驾驶双耳噪声、副驾驶右耳以及正驾驶后排右耳的噪声、发动机转速、蓄电池电量（SOC）。数据处理采用小波包变换、时域以及频域分析法，分析动力切换过程中车内振动与噪声。试验结果表明，动力切换时的振动与噪声都呈现明显的非稳态特征且能量集中分布在低频段，与稳定车速纯电动模式下的幅值相比较差异明显；在558 Hz处振动幅值明显加强，与起动电机拖动发动机起动快速上升的转矩有关系；在800 Hz处振动幅值明显加强，与动力耦合装置动力输出不平稳有关系。

振动与波；混合动力汽车；动力切换；小波包变换

混合动力汽车（HEV）兼顾了电动汽车和内燃机汽车的优势，逐渐成为节能减排汽车发展的趋势之一。混合动力汽车在结构上较为复杂，工作状态也发生了变化，由此引起的振动与噪声源及其特性上发生了较大改变。混合动力汽车工作特性决定了发动机在汽车运行过程中需频繁地在起动和停机中切换，特别是由电动驱动切换至发动机共同驱动所引起瞬态冲击振动现象尤为突出［1］。国内的研究甚少，尚未检索到相关的论文。国外研究主要集中在几个较大的汽车公司，如文献［2-4］中提到丰田公司的Masashi Komada等人先后介绍了动力切换过程中的振动噪声、发动机低转速时振动噪声和电机振动噪声等控制技术在Prius混合动力汽车和雷克萨斯混合动力汽车上的实际运用。文献［3-8］中提到丰田公司针对丰田汽车混合动力系统分析ESS振动噪声产生的原因和影响因素，认为动力切换过程中的振动主要激励来自于发动机起动反作用力和气缸压力波动及点火后快速上升的发动机转矩，并提出可变进气门正时、延迟点火、增加喷油量、活塞初始位置控制等措施。福特公司也进行整车试验的动力切换振动噪声研究，文献［9］中认为如果对动力切换过程中发动机气缸压力波动、起动电机的起动转矩及发动机转速的极速上升控制不当将激发整车振动与噪声，并提出发动机转速控制、连续起动过程中活塞位置及起动阶段电机转矩补偿等改进措施。

本文针对某混合动力汽车动力切换过程中的车内振动与噪声进行整车试验与分析，对整车控制策略提供参考。

1　混合动力系统概述

混合动力汽车与内燃机汽车相比，动力系统的差别是最大的，通常由动力耦合装置、发动机、发电机和电动机等多个部件组成的复杂机电系统。较内燃机汽车动力系统，改变系统的激励特性，从而影响动力系统和传动系统振动特性［10］，如发动机频繁起停引起的噪声和动力耦合装置在不同工况下机电动力的切换产生的振动冲击和噪声，对乘员的影响较大，所以有必要对混合动力汽车动力系统进行重点研究，特别是汽车运行过程中发动机频繁起停时产生的振动重点进行分析。

1.1混合动力系统组成

如图1所示：该测试车辆的传动系统由发动机、变速驱动桥阻尼器、电动机、发电机、复合齿轮装置（包括动力分配行星组件和电机减速行星组件）、油泵、耦合机构、中间轴从动齿轮、主减速齿轮以及差速器齿轮。

图1　行星齿轮机构转速转矩关系图

1.2工作原理

该测试车辆动力耦合机构采用双排行星齿轮组。第一排行星齿轮为动力分配行星组件，发动机与行星齿轮架相连，MG1与太阳轮相连，动力由齿圈输出到中间轴主动齿轮；第二排行星齿轮为电机减速行星组件，可以降低MG2的转速，增加MG1的转矩，其齿圈与第一排行星齿轮齿圈都与复合齿轮机构结合，并作为动力输出轴。第二排行星齿轮架固定，MG2与第二排行星齿轮的太阳轮相连，并且MG1固定。这样，由发动机及MG1/MG2输出的动力经过行星齿轮动力耦合机构的耦合作用，通过齿圈输出，经中间轴从动齿轮传递到主减速齿轮，再经过差速器齿轮传递到驱动前轮。

图2　测试车辆传动系统结构

如图2所示：垂直线显示了转速和扭矩方向，垂直线的间距显示了传动比，箭头显示了扭矩方向，电机的转矩跟转速方向一致为放电，方向相反给蓄电池充电。

1.3模拟杠杆法分析动力耦合机构的运行工况

1.3.1纯电动工况（EV工况）

当电池SOC充足，系统仅靠电机MG2输出驱动力即可使车辆起步和低负荷行驶。此时发动机停机，MG1空转。图3为此模式下能量传递路径和行星排的转速模拟杠杆图。

1.3.2加速工况

车辆从匀速状态下开始实施加速，发动机输出功率增加，MG1和蓄电池一起向MG2提供电能，发动机和电机MG2共同驱动汽车。图4即为加速工况下的能量传递路径及行星排的转速模拟杠杆图。

本文研究的工况是EV模式后加速的过程，通过以上的能量传递路径以及行星排的转速模拟杠杆图可以分析出各个部件的工作状况以及能量流向。

2　振动噪声试验

试验参照国家标准GBT 18697-2002《声学汽车车内噪声测量方法》来进行，选取测试环境为开阔场地，与建筑物等大型物体之间的距离大于20 m。

图3　纯电动工况

图4　加速工况

如表1所示：在正驾驶座下地板布置单向加速度传感器；副驾驶座下地板布置一个三向加速度传感器，方向与车辆坐标系一致，x正向为车辆前进方向的反方向，y正向为驾驶员右手方向，z正向为垂直向上的方向；使用双耳麦克风记录其双耳噪声，同时在副驾驶和正驾驶后排座位右耳都布置了传声器。

表1　传感器分布

测试时，驾驶员头戴双耳麦克风；副驾驶手持监测仪记录车辆行驶状态；驾驶员后座人员用数据采集仪记录声样本。

测试工况：汽车运行至40 km/h纯电动模式下稳定一段时间，然后猛踩油门加速（期间发动机迅速起动，发动机与电机共同驱动），此时蓄电池的电量为49.4%，这样的蓄电池电量保证发动机起动都是用来提供驱动扭矩的，而不是给蓄电池充电。为了便于数据的截取和分析，每次采集为20 s。

3　试验数据处理与分析

从总的时间历程来看，整个过程分为三个阶段，（0～2.1 s）汽车维持稳定的速度40 km/h，此时为纯电动驱动；（2.1 s～2.7 s）发动机起动阶段，包含起动电机拖动发动机和发动机点火两个阶段；（2.7 s～3 s）是提速的阶段。图5 分别为副驾驶地板的三个方向的振动加速度、正驾驶地板的振动加速度、正驾驶双耳噪声、副驾驶右耳噪声以及正驾驶后排右耳噪声以及发动机转速图，表2 为各个信号不同阶段的时域特征分析。

由图5可以看出：

（1） 与纯电动模式下相比较，由电动到机械的动力切换，产生急剧的力矩变化和电流变化，所以与之相关的会产生振动与噪声。加速阶段振动较稳定，但相比纯电动阶段波动加大。动力切换时刻的振动加速度呈现明显的非稳态特征，这与车内试验者和人的主观感觉相一致；

（2） 在2.1 s 时刻，振动与噪声可以观察到有明显的波动，与转速图相结合，得到是由于起动电机拖动发动机急速上升的转矩引起的；

（3） 从图上可以观察到y、z 方向的振动较x 方向更明显，但是总体的振动加速度都较小，峰值最大的z 向为4.124 m/s2，显然，乘坐舒适性较好。

图5　各测点时域分析结果以及转速图

表2　各不同信号不同时间段特性分析

图6　各测点时频域分析结果

由图6可以看出：从整体来看，振动基本分布在10 Hz～800 Hz，集中分布在低频段上。噪声分布较广，在10 Hz～2 500 Hz均有分布，主要集中在2 000 Hz以下。

（1）副驾驶地板x向振动加速度在800 Hz附近振动出现明显的加强。混合动力汽车的动力切换之后，随之而来的是动力耦合的过程，如图1所示，由于动力耦合装置合成动力过程以及动力输出的不平稳，导致输出的动力经过中间轴从动齿轮，主减速齿轮以及差速器齿轮时出现振动不平稳，整个传动系统出现振动不平稳，产生共振时系统振幅较大，传递的扭矩增大［11］，因此在x方向的振动加速度明显加强。

（2）从频域图的两条曲线对比分析可以观察到，在558 Hz处振动明显较大。从小波包变换得到的时频图6可以看出，此时为发动机起动阶段，此峰值

3.3频域分析

图6为各个信号不同频率段的频域图和小波包变换得到的时频图。频域图的两条曲线分别表示纯电动和整个过程的频域分布。从前面的时域图上可以发现振动是很小的，所以我们研究800 Hz以下足够了，噪声分析到2 500 Hz。与发动机起动快速上升的转矩有关系。

（3）利用小波包变换得到的时频图上可以看出，汽车动力切换时的车内噪声都集中在低频段，能量多分布在低频段，随时间波动较大。

4　结语

针对某混合动力汽车动力切换过程中的车内振动与噪声进行了整车试验分析，但是没有结合相应的控制策略进行研究，也没有建立动力系统的模型，以后的研究可以结合这些，这样可以更好的进行不同工况下的振动噪声研究，对指导整车控制策略具体重要意义。以下是得出的一些主要结论。

（1）从时频图上可以看出，动力切换时刻的振动与噪声都呈现明显的非稳态特征且能量集中分布在低频段；

（2）动力切换时刻与匀速纯电动阶段的峰值相比较差异明显，通过时频图可以发现这个峰值是由发动机起动快速上升的转矩引起的；

（3）在800 Hz处振动幅值明显加强，此处的振动加强与动力耦合装置动力输出不平稳有关系。由于动力耦合装置耦合过程以及动力输出的不平稳导致整个传动系统的振动不平稳；

（4）副驾驶地板的振动加速度y、z方向明显大于x方向，总体来说正副驾驶地板振动加速度较小，峰值最大的z向为4.124 m/s2，驾驶室的乘坐舒适性良好。

［1］Kiran Govindswamy，Thomas Wellmann.Aspects of NVH integration in hybrid vehicles［J］.SAE Paper，2009-01-2085.

［2］Takayo shi Yoshioka，Hiroshi Sugita.Noise and vibration reduction technology in hybrid vehicle development［J］. SAE Paper，2001-01-1415.

［3］MasashiKomada，TakayoshiYoshioka.Noiseand vibration reduction technology in new generation hybrid vehicle development［J］.SAE Paper，2005-01-2294.

［4］Naoto Kawabata，Masashi Komada，Takayoshi Yoshioka. Noiseandvibrationreductiontechnologyinthe development of hybrid luxury sedan with series/parallel hybrid system［J］.SAE Paper，2007-01-2232.

［5］Takayoshi YHiroshi S.Noise and vibration reduction technology in hybrid vehicle development［J］.SAE Paper，2001-01-1415.

［6］Masashi K，Takayoshi.Noise and vibration reduction technology in new generation hybrid vehicle development ［J］.SAE Paper，2005-01-2294.

［7］Kenji K，Kimitoshi T.Crankshaft positioning utlizing compression force and fast starting with combustion assist for indirect injection engine［J］.SAE Paper，2005-01-1166.

［8］K.Akihiro Y.Development of vibration reduction on motor control for series parallel hybrid system［J］.SAE Paper，2006-01-1125.

［9］Ming L K，An.Investigation of engine start-stop NVH in a power split powertrain hybrid electric vehicle［J］.SAE Paper，2006-01-1500.

［10］熊建强，黄菊花.混合动力汽车噪声与振动的分析与控制［J］.噪声与振动控制，2009，29（10）：96-100.

［11］任丽丽，施善，刘友波.动力传动系统扭转振动的分析与控制［J］.噪声与振动控制，2014，34（6）：20-25.

Analysis of Interior Noise and Vibration of HEV Engines in Power Switching Process

WU Sai-sai1，ZUO Yan-yan1，LIAO Lian-ying2，ZHU Yuan-zheng1，ZHENG Ming-yin1
（1.Institute of Noise and Vibration，Jiangsu University，Zhenjiang，212013，Jiangsu China；2.Changzhou Institute of Technology，Changzhou，213002，Jiangsu China）

The internal vibration and noise of a hybrid electric vehicle（HEV）in the power switching process were studied.The vibration acceleration of the cab's floor，skipper binaural noise，noise at deputy driver's right ear，noise at driver's back right ear，engine speed and battery power were measured.The measurement data was processed using wavelet packet transform，time domain analysis method and frequency domain analysis method.Then，the vibration and noise of the car in the switching process was analyzed.The test results show that the noise and vibration in the power switching process has significant unstable characteristics，and energy is concentrated in the low frequency range.There is an obvious difference between the amplitude in comparison with the case of steady speed and pure electric mode.At the 558 Hz frequency，the vibration amplitude was enhanced obviously due to the fast rising torque induced by engine starting.At the 800 Hz frequency，the vibration amplitude was again enhanced significantly due to the unstable power output of the power coupling device.

vibration and wave；hybrid electric vehicle；power switch；wavelet packet transform

U467.1+1

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.019

1006-1355（2015）05-0091-06

2015－01－08

教育部博士点基金项目（20103227110009）；江苏省高校自然科学研究项目（13KJD460002）

吴赛赛（1990－），男，江苏南通人，研究生，主要研究方向：车辆振动与噪声控制。

左言言，男，博士生导师。

E-mail:279395028@qq.com